Transcript 1 - Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН

Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева
СО РАН, Иркутск, Россия
ТЕОРИЯ СИСТЕМ И СИСТЕМНЫЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ
Н.И. Воропай
ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ
СИСТЕМНОГО МИРОВОЗЗРЕНИЯ
 Определенные элементы системных представлений были еще у
древних философов
 В средние века идеи системности были забыты
 А.А. Богданов. «Тектология: Всеобщая организационная наука» в
1913-1928 гг.
Людвиг фон Берталанфи в 1930-е годы
 План ГОЭЛРО как образец системного подхода
 Интенсивное развитие системного мировоззрения в 1960-1980-е
годы в СССР и за рубежом
 Книга Л.А. Мелентьева «Системные исследования в энергетике.
Элементы теории, направления развития». М.: Наука, 1979 и 1983
 Моисеев Н.Н. «Математические задачи системного анализа». М.:
Наука, 1981
2
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Система
1
2
3
1 - элемент; 2 - существенная
связь; 3 - несущественная связь.
1. Система есть совокупность элементов,
объединенных между собой связями.
2. Для любых систем характерно наличие
интегративных качеств (свойств),
присущих системе в целом, но не
свойственных ни одному из ее элементов.
Поэтому, расчленяя систему на отдельные
части (подсистемы) и изучая каждую из них в
отдельности, нельзя познать все свойства
системы в целом.
3. Для любых систем характерно наличие существенных связей
между элементами, превосходящих по мощности (силе) связи этих
элементов с элементами, не входящими в систему. Это свойство
позволяет выделить систему в виде целостного объекта из окружающей
среды.
3
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Система. Примеры систем в энергетике (ЕЭС России)
1
2
…..
3
1 - основные электростанции; 2 - основные подстанции;
3 - границы объединенных ЭЭС
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Система. Примеры систем в энергетике
(Супер-мини-микро энергообъединение)
5
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Система. Примеры систем в энергетике
(Система газоснабжения в Европе)
6
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Система. Примеры систем в энергетике
(схема энергетической установки)
Расчётная схема теплофикационной ПГУ:
1 – воздушный компрессор, 2-камера сгорания, 3-газовая турбина, 4-конвективный пароперегрева- тель
(КПП) 1 ступени, 5-промежуточный пароперегреватель (ПП) 2 ступени, 6-КПП 1 ступени, 7-ПП 1 ступени,
8-испаритель высокого давления, 9-экономайзер 2 ступени, 10-испаритель низкого давления, 11-экономайзер
1 ступени, 12-16 – отсеки паровой турбины, 17-конденсатор, 18-пиковые водогрейные котлы, 19-20 –
сетевые подогреватели, 21-потребитель тепла, 22-23 – барабаны-сепараторы, 24-30-насосы, 31 –
регулирующая диафрагма.
7
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Система. Примеры систем в энергетике
(система теплоснабжения)
Ангарск (кварталы)
Ангарск (микрорайоны)
Мегет
ТЭЦ10
ТЭЦ-9
Ц
Уч.1
ТЭЦ-9
Новая тепломагистраль № 6
Общий вид новой графической БД по тепловым сетям г.
Ангарска в ИВК «АНГАРА-ТС»
8
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Система. Примеры систем в энергетике
(ТЭК ВС и ДВ)
Развитие топливно-энергетического комплекса Восточной Сибири и
Дальнего Востока до 2030 года (стратегический сценарий)
9
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Система. Примеры систем в энергетике (интегрированная система
энергоснабжения)
10
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Элемент
Под элементом принято понимать простейшую неделимую
часть системы. Ответ на вопрос, что является такой частью,
может быть неоднозначным и зависит от цели рассмотрения
объекта как системы, от точки зрения на него или от аспекта его
изучения.
Подсистема
Подсистемы представляют собой компоненты системы, более
крупные, чем элементы, и в то же время более детальные, чем
система в целом. Возможность деления системы на подсистемы
связана с вычленением совокупностей взаимосвязанных
элементов, способных выполнять относительно независимые
функции, подцели, направленные на достижение общей цели
системы. Названием “подсистема” подчеркивается, что такая
часть должна обладать свойствами системы, в частности
некоторыми интегративными свойствами (свойствами
целостности).
11
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Связь
Понятие “связь” входит в любое определение системы и
обеспечивает возникновение и сохранение структуры и
целостности системы. Это понятие характеризует и строение
(структуру), и функционирование (состояния и поведение)
системы.
Связь можно определить направлением, силой, характером
(видом) и др. Связи в конкретных системах могут быть
охарактеризованы одновременно несколькими признаками.
Состояние
Понятием “состояние” характеризует “временной срез”
системы, зафиксированный в ее развитии или функционировании. Состояние определяют либо через входные воздействия и
выходные переменные системы, либо через ее внутренние
переменные.
12
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Функционирование и развитие системы
Функционирование обычно относится к такому достаточно
короткому интервалу времени жизни системы, когда происходят
изменения ее состояния при неизменном составе и параметрах
ее элементов и связей.
Развитие рассматривается на существенно большем интервале времени и основной задачей при этом является отслеживание
ввода новых элементов и связей (или изменения их параметров)
и вывода из работы устаревших, отработавших свой ресурс
элементов и связей системы
Цели, функции системы
Цели (функции) системы определяются ее предназначением.
Понятие цели обычно применимо к так называемым организованным системам (экономика, общество и др.). Для технических
систем больше подходит понятие «функция»
Обычно имеет место иерархия целей, которые могут быть
непротиворечивыми или противоречивыми, противоречия могут
быть неантагонистическими и антагонистическими
13
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Структура
Структура означает строение, расположение, порядок элементов
и их групп и отражает наиболее существенные взаимоотношения
между ними, которые мало меняются при изменениях в системе и
обеспечивают существование системы и ее основных свойств
Целостность системы и неаддитивность, интегративность ее
свойств обусловлены структурой. Структура является не только
системообразующим, но и системосохраняющим факторов для
сложных, высокоорганизованных систем. Она существенно
определяет поведение системы, при этом устойчивость структуры
обеспечивает устойчивость поведения.
Структура изменяется в процессе развития системы, вследствие
чего у системы могут появиться новые свойства.
Структурное усложнение системы растет при увеличении ее
масштабов медленнее, чем функциональное разнообразие ее
поведения.
Структура сложных систем практически всегда иерархична.
Иерархия определяется как принцип структурной организации
сложных многоуровневых систем, состоящий в упорядочении
взаимодействий между уровнями.
14
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Пример иерархической структуры системы
15
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Связность
Связность отражает уровень (степень) взаимосвязей элементов в системе. Структурная связность системы  наиболее
существенная ее качественная характеристика. С исчезновением
структурной связности исчезнет и сама система.
Основной характеристикой связности является количество и
сила связей каждого элемента системы с другими элементами
16
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Сложность систем
Сложность системы  понятие относительное.
Следует различать структурную сложность, определяемую
структурой и связностью элементов и подсистем, и динамическую сложность или сложность поведения.
Уровень рассмотрения системы и, соответственно, ее
сложность может быть различной в зависимости от решаемых
задач.
Структурная сложность систем непосредственно связана с
такими понятиями, как иерархическая структура, связность,
многообразие компонентов, сила взаимодействия
компонентов.
Структура сложных систем неоднородна и это также
определяет их структурную сложность.
17
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Поведение систем
Поведение – это процесс смены во времени состояний
системы.
Наряду с понятием структуры поведение системы
определяет интегративность, системность свойств этого
изучаемого объекта. Системные, интегративные свойства
системы проявляются через его поведение.
Сложность, многокомпонентность структуры системы,
множественность связей между элементами необязательно
ведут к сложному ее поведению. И наоборот, бывает, когда
сравнительно простые по структуре системы имеют весьма
сложное поведение.
Наряду со структурной сложностью системы сложность ее
поведения – отличительная характеристика действительно
сложной системы
18
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Нелинейность систем
Нелинейность элементов и связей между ними существенно
определяет сложность, непредсказуемость поведения системы.
Линейные системы – это большая редкость, но во многих
случаях нелинейностью можно пренебречь и рассматривать
систему как линейную
Устойчивость систем
Устойчивость – это свойство системы реагировать на
изменения во внешней среде, сохраняя одно и то же поведение
на протяжении определенного периода времени.
Классическое определение устойчивости добавляет к
сформулированным условиям неизменность при этом
структуры и параметров системы (устойчивость по Ляпунову).
Структурная устойчивость связана с выявлением
качественных изменений в траекториях движения (поведении)
системы при изменениях ее структуры
19
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Неопределенность
Типы неопределенностей:
 неопределенность целей (нечеткость формулировки,
многозначность);
 неопределенность наших знаний об окружающей среде;
 неопределенность параметров, а возможно, и структуры
системы;
 неопределенность действий партнера или противника
Информация – совокупность знаний о системе, внешней
среде, целях, поведении и т.д.
Уточнение информации позволяет устранить или, по крайней
мере, снизить неопределенность.
20
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Модели и моделирование
Моделью называется некий объект-заместитель, который в
определенных условиях может заменить объект-оригинал,
воспроизводя интересующие нас свойства и характеристики
оригинала, причем имеет существенные преимущества удобства
(наглядность, обозримость, легкость оперирования и др.).
Модель – не просто отображение системы, а отображение
целевое. Для разных целей требуются разные модели.
Применительно к исследованию систем модели и
моделирование стали практически единственным средством
познания.
Имитация. Имитационное моделирование
Имитационное моделирование есть процесс конструирования
модели реальной системы и постановки экспериментов на этой
модели с целью либо понять поведение системы, либо оценить (в
рамках ограничений, накладываемых некоторым критерием или
совокупностью критериев) различные стратегии, обеспечивающие
функционирование или развитие данной системы.
Имитационное моделирование помогает ответить на вопросы
«что будет, если…»
21
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Выбор (принятие решений)
Выбор является действием, придающим всей деятельности
целенаправленность. Именно выбор реализует подчиненность
всей деятельности по изучению систем определенной цели или
совокупности целей.
Выбор (принятие решения) – это действие над множеством
альтернатив, в результате которого получается подмножество
выбранных альтернатив. Выбор осуществляется на основе
критерия (критериев) предпочтения.
22
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Множественность задач выбора определяется следующими
особенностями:
♦ множество альтернатив может быть конечным, счетным
или континуальным;
♦ оценка альтернативы может осуществляться по одному или
нескольким критериям;
♦ режим выбора может быть однократным или
повторяющимся (обучение);
♦ последствия выбора могут быть точно известны (выбор в
условиях определенности), иметь вероятностный характер
(выбор в условиях риска), или иметь неоднозначный исход
(выбор в условиях неопределенности);
♦ Ответственность за выбор – индивидуальная или
многосторонняя (групповой выбор);
♦ Степень согласованности целей
 кооперативный выбор
 выбор в конфликтной ситуации
23
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Системный подход. Системный анализ. Системные
исследования
Системный подход – это методология специального научного
познания, в основе которого лежит исследование объектов и
проблем как систем
Системный анализ – это методический аппарат системных
исследований, совокупность методов, методик, процедур и
правил, применяемых в системных исследованиях
Системный исследования – это исследования, основанные на
системном подходе и использующие средства системного анализа
24
2. СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ
Формализация структуры на основе теории графов
а)
б)
2
2
1
1
3
3
2
4
3
5
5
4
1
в)
г)
2
3
1
5
4
5
Структура системы в виде
ориентированного графа
а - структура системы; б - ее граф; в
- частичный граф; г - подграф
Неориентированный
граф
25
2. СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ
Формализация структуры на основе теории графов
сильно связный граф (а) и
несвязный граф, распадающийся
на сильно связные подграфы (б)
а – неупорядоченный
граф;
б  упорядоченный
26
2. СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ
Связность структуры
1 n n
  a ij  n  1, i  j
2 i 1 j 1
Структурная компактность
n
n
Q    d ij , i  j
i 1 j 1
Структурная избыточность
 1
1 n n
R     aij 
1
2  i 1 j 1  n  1
Степень централизации в
структуре
2Zmax  n
  (n  1)
Zmax (n  2)
Диаметр структуры
1
d  max d ij
ij

Q n
Z i    d ij  , i  1, n;
2  j 1 
i j
27
2. СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ
Основные виды структур
а  последовательная (“цепочечная”), б  кольцевая, в 
радиальная, г  древовидная, д  полный граф, е  несвязная
28
2
2. СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ
Показатели различных структур
Вид
структуры
(по рис.
2.6)
а
Показатель
R
Q
d

0
1,0
4
0,7
б
0,25
0,5
2
0
в
0
0,6
2
1,0
г
0
0,7
3
0,7
д
1,5
0
1
0
е
0,25



29
2. СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ
Электроэнергетическая система
б
а
Схема ЭЭС из двух подсистем (а) и ее структурное представление (б)
Wik  Wij ; W jl  W jk
30
2. СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ
Пример электроэнергетической системы
1  генераторный узел; 2  сетевой узел; 3  линия 500 кВ; 4 – линия
220 или 110 кВ
31
2. СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ
Структурная модель ЭЭС
32
3. ПОВЕДЕНИЕ СИСТЕМ
Устойчивость по Ляпунову
dx
 f  x, t  , x  o   c
dt
33
3. ПОВЕДЕНИЕ СИСТЕМ
Область притяжения динамической системы
34
3. ПОВЕДЕНИЕ СИСТЕМ
Основные типы положений равновесия
Устойчивые: фокус (а), узел (б), цикл (е); неустойчивые: фокус (г), седло
(в), узел (д)
35
3. ПОВЕДЕНИЕ СИСТЕМ
Метод функции Ляпунова
36
3. ПОВЕДЕНИЕ СИСТЕМ
Структурная устойчивость. Бифуркации.
Катастрофы
dx
 f  x, t , a 
dt
Бифуркация (раздвоение) – качественное изменение траекторий в
некоторой точке при изменении параметров системы
Катастрофа – скачкообразное изменение положения равновесия
при плавном изменении параметров системы
37
3. ПОВЕДЕНИЕ СИСТЕМ
Управление
dx  t 
 f  x t , u t , x o   c
dt
Управление типа открытого (а) и замкнутого (б) контуров
38
3. ПОВЕДЕНИЕ СИСТЕМ
Поведение электроэнергетических систем различной
структуры (1)
39
3. ПОВЕДЕНИЕ СИСТЕМ
Поведение электроэнергетических систем различной
структуры (2)
40
3. ПОВЕДЕНИЕ СИСТЕМ
Распространение возмущений. Живучесть систем
41
3. ПОВЕДЕНИЕ СИСТЕМ
Самоорганизация в системах. Синергетика
Синергетика связана с явлениями при совместном действии
нескольких факторов, в то время как каждый фактор в
отдельности к таким явлениям не приводит. Синергетика связана
с образованием устойчивых структур
42
4. СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИЯ
Основные характеристики информации
• Ценность информации
• Старение информации
• Полнота, надежность и достоверность информации
• Избыточность информации
• Скорость передачи и обработки информации
• Периодичность или частота передачи информации
• Затраты на получение, передачу и обработку информации
• Неопределенность информации
43
4. СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИЯ
Обработка и представление информации
 Агрегирование информации
 Хранение и поиск данных
 Базы данных. Реляционные базы данных
 Представление знаний. Правило продукции – «если УСЛОВИЕ,
то ДЕЙСТВИЕ»
 Базы знаний
44
5. ОПИСАНИЕ СИСТЕМ
Системы линейных алгебраических уравнений
АХ=В
a11 a12 a13 ... ..a1n 
a a a ..... a 
2n 
 21 22 23
......................... 

Х
......................... 
......................... 


an1 an 2 an3 ......ann 
 x1 
x 
 2
. 
 =
. 
. 
 
 xn 
b1 
b 
 2
. 
 
. 
. 
 
 bn 
45
5. ОПИСАНИЕ СИСТЕМ
Системы нелинейных алгебраических уравнений
W(x)=0
46
5. ОПИСАНИЕ СИСТЕМ
Системы линейных дифференциальных уравнений
dx
 Bx, D  p   pn  a1pn 1  a2pn 2  ...  an 1p  an
dt
47
5. ОПИСАНИЕ СИСТЕМ
Системы нелинейных дифференциальных уравнений
dx

 f  x, y 
dt

o    x, y  
48
5. ОПИСАНИЕ СИСТЕМ
Случайные события
Случайные состояния. Случайные величины
Случайные процессы
49
5. ОПИСАНИЕ СИСТЕМ
Нечеткие описания
● Нечеткое множество. Функция принадлежности.
Операции над нечеткими множествами
● Нечеткие отношения. Операции над нечеткими
отношениями
50
5. ОПИСАНИЕ СИСТЕМ
Логические и другие неаналитические модели
 Логика высказываний
 Конечные автоматы
 Сети Петри
 Искусственные нейронные сети
 Комбинированные модели
51
5. ОПИСАНИЕ СИСТЕМ
Теория возмущений (малых параметров)
dZ / dt    Z ,  h  Zm  ,V  ,
dZm / dt  m  Zm ,  hm  ZI  ,V  ;
dZ / dt    Z , Zm , V  ,
dZm / dt  m  Z , Zm ,V 
52
6. ВЫБОР РЕШЕНИЙ
Критериальное описание выбора
 X ,   X

Х – исходное множество альтернатив
Ф – правило выбора
Х*- выбранное подмножество альтернатив
Критерий, целевая функция:
если
q  x1   q  x2 
, то
x1
лучше
x2
xX
x  arg max q  x 
xX
53
6. ВЫБОР РЕШЕНИЙ
Скаляризация векторного критерия
p
q0    i qi  / Si ;
i 1
p
1  q0   1  i qi / Si 
i 1
x   arg
max q0 q1  x ,
q2  x  ,..., qp  x 

xX
54
6. ВЫБОР РЕШЕНИЙ
Методы решения многокритериальных задач
а - оптимизация по одному суперкритерию;
б - метод уступок;
в - задание уровней притязания;
г - нахождение паретовского множества альтернатив
55
6. ВЫБОР РЕШЕНИЙ
Бинарные отношения
56
6. ВЫБОР РЕШЕНИЙ
Метод анализа иерархий (Т. Саати)
57
6. ВЫБОР РЕШЕНИЙ
Выбор в условиях неопределенности
Внешние условия
А
Л
Ь
Т
Е
Р
Н
А
Т
И
В
ы
XY
y1 y 2 ...y j ...y m
x1
q11 q12 ... q1j ...q1m
xi
qi 1 qi 2 ...qij ...qim
xn
qn1 qn 2...qnj ...qnm
58
6. ВЫБОР РЕШЕНИЙ
Критерии сравнения альтернатив при неопределенности
Минимаксный критерий
x   arg max min qij
j
i
Критерий минимаксного сожаления (Сэвиджа)
sij  qij  min qij ; x   arg max min sij
i
i
j
Критерий пессимизма-оптимизма (Гурвица)
q  xi    min qij  1    max qij ; 0    1
j
j
x  arg max q  i 
i
59
6. ВЫБОР РЕШЕНИЙ
Выбор в условиях нечеткости
D  x   min G  x  , C  x 
G – нечеткая цель, С – нечеткие ограничения
x   arg max D  x 
xX
60
6. ВЫБОР РЕШЕНИЙ
Оптимальное управление
Функционал качества
J  x    ttf   x t , x t , t  dt
0
Вариационный принцип
  

0
x t x
Принцип максимума Понтрягина
Динамическое программирование
Наблюдаемость и управляемость
61
6. ВЫБОР РЕШЕНИЙ
Ограниченность оптимизационного подхода
opt f  x   модель операции

  x   0  модель системы
o Неустойчивость оптимальных решений, пологость критерия
o Необходимость увязывать критерии оптимальности системы с
критериями подсистем
o Критерий является лишь суррогатом цели, характеризуя цель
всегда приближенно
o В понятии оптимальности кроме критерия не менее важную
роль играют ограничения. Не задав всех необходимых
ограничений, получим неверный результат
o Ограничения – это модель системы. Часто для того, чтобы
решить задачу оптимизации, приходится «выхолащивать»
модель системы
62
6. ВЫБОР РЕШЕНИЙ
Иерархические задачи выбора
Исходная проблема: X o  opt  X ,  
xo  opt
 x,
X , 
Иерархическая последовательность подзадач:
0
Φ0
x m -1
x0
Xm =X
↓

↓

-1
x om-1 = opt fm-1
 xom  ;

m -1
Fm-1  X m  X

x0
o
o
x = opt
↓
↑
x m -1
6
m
m
m
x m xo = opt  x , X = X  ,
xm
↑
Φm -1
↓
m -1
5
4
3
Φm
↓
m
2
↓
1
f  x  ;
-1
0
1
0
F0  Х
1
 ,
X0
63
6. ВЫБОР РЕШЕНИЙ
Двухуровневое представление ЕЭЭС России
Уровень 1
Традиционный
Уточненный
Уровень 0
64
6. ВЫБОР РЕШЕНИЙ
Неформальные методы выбора
 Экспертные методы выбора
Метод Делфи
 Человеко-машинные системы и выбор
Пакеты прикладных программ
Системы поддержки принятия решений
 Эвристические методы выбора
Эвристики
Табу-поиск решения
Моделирование отжига
Генетические алгоритмы
Метод колонии муравьев
65
7. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Этапы имитационного моделирования
Формулировка
проблемы
Решение
проблемы
Формирование
модели
Имитационные эксперименты
66
7. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Составляющие имитационного моделирования (1)
 Формирование целей и критериев
Трудности выявления целей
Влияние ценностей на цели
Множественность целей
Критерии и ограничения
 Генерирование альтернатив
Способы увеличения числа альтернатив
Создание благоприятных условий
Способы сокращения числа альтернатив
Мозговой штурм
Разработка сценариев
67
7. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Составляющие имитационного моделирования (2)
 Планирование имитационных экспериментов
Факторы и отклики
Полный и неполный факторный анализ
Отыскание оптимальных условий
 Обоснование выбора и анализ модели
68
7. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Целесообразность применения имитационных моделей
Не существует законченной математической постановки
задачи либо еще не разработаны аналитические методы
Аналитические методы имеются, но математические
процедуры сложны и трудоемки
Аналитические решения существуют, но математическая
подготовка персонала недостаточна
Кроме оценки параметров, целесообразно отслеживать
процесс
Трудности и невозможность постановки экспериментов в
реальной системе
Моделируемый процесс может быть замедлен или ускорен
при необходимости
Возможность «разыгрывать» на модели реальные процессы
и ситуации
69
7. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Опасности и ограничения
 Разработка хорошей имитационной модели может стоить
дорого и требовать много времени и высококвалифицированных специалистов
 Трудности верификации имитационной модели
 Принципиальная неточность имитационной модели
 Опасность «обожествления чисел»
70
Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН
КНИГА Л.А. МЕЛЕНТЬЕВА
«СИСТЕМНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В
ЭНЕРГЕТИКЕ»: КЛЮЧЕВЫЕ
ПОЛОЖЕНИЯ И ВЗГЛЯД ИЗ НАШИХ
ДНЕЙ
Н.И. Воропай
71
ПРЕДПОСЫЛКИ СИСТЕМНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ В ЭНЕРГЕТИКЕ
● Развитие энергетики и создание к последней четверти ХХ-го
столетия территориально распределенных больших систем
энергетики и топливно-энергетического комплекса страны
● Разработка Г.М. Кржижановским комплексного энергетического
метода исследования и его использование и развитие, начиная
с плана ГОЭЛРО
● Использование в качестве методической основы системных
исследований в энергетике фундаментальных понятий
материалистической диалектики и прежде всего – понятий
единства, целостности и развития
● Использование
базовых положений и принципов
системных исследований и системного анализа
общих
● Бурное
развитие
вычислительной
техники,
методов
математического моделирования и оптимизации во второй
половине ХХ-го столетия
72
ГЛАВНЫЕ ЗАДАЧИ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В ЭНЕРГЕТИКЕ
 Изучение тенденций развития энергетики как
совокупности больших систем, а также свойств
этих систем и научных основ управления ими
 Разработка необходимых для этого методов и
средств
 Решение (с использованием методов системных
исследований) фундаментальных межотраслевых
проблем энергетики, в том числе
энергоэкологических
 Научно-обоснованное прогнозирование развития
энергетики
73
ГЛАВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ СИСТЕМНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ В ЭНЕРГЕТИКЕ
 Теоретическая и методическая часть
- изучение природы исследуемых систем, объективных
тенденций их развития, их свойств, особенностей проявления
тенденций и свойств
- создание и совершенствование методов исследования систем,
их моделей и процедур принятия решений
- создание и совершенствование средств изучения систем
(сбора, обработки, передачи, анализа информации,
программных комплексов и др.)
 Приложение системных исследований к решению
фундаментальных проблем энергетики
- оптимальное управление в энергетике
- решение основных межотраслевых комплексных проблем
энергетики
- долгосрочное
прогнозирование энергетики
-
74
КЛЮЧЕВЫЕ АСПЕКТЫ СИСТЕМНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ В ЭНЕРГЕТИКЕ
Главные свойства систем энергетики
 Цели и критерии принятия решений при
оптимизации развития систем энергетики
 Влияние неполноты информации на решение
энергетических задач
 Математические модели оптимального управления
системами энергетики
 Автоматизированные системы управления в
энергетике
 Задачи долгосрочного прогнозирования в
энергетике
75
ГЛАВНЫЕ СВОЙСТВА СИСТЕМ ЭНЕРГЕТИКИ
● Структурные свойства
- Централизация иерархической структуры систем
● Свойства движения (в т.ч. развития)
- Динамичность
- Гибкость – Инерционность, Адаптация, Надежность
- Экономичность
● Свойства управляемости
- Недостаточная определенность оптимальных решений
- Многокритериальность выбора решений
● Специфические свойства систем энергетики
- Взаимозаменяемость элементов и продукции
- Универсальность и значимость продукции
- «Активность» в экономике
- Масштабность и сложность структур систем
- Материальность основных связей
- Непрерывность, часто неразрывность процессов
- Двойственность систем энергетики
76
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИ ОПТИМАЛЬНОМ
УПРАВЛЕНИИ СИСТЕМАМИ ЭНЕРГЕТИКИ
 Единственный аппарат изучения систем энергетики и
управления ими. Его роль возрастает в связи с ростом
сложности систем и проблем
 Ввиду сложности систем необходимо квалифицированно
упрощать модель без ущерба для точности результатов.
Иерархический принцип построения моделей с использованием
методов декомпозиции и агрегирования (эквивалентирования).
Если модель сформирована приближенно, то никакие
последующие математические преобразования не смогут дать
содержательных результатов
 Соотношение точности результатов расчетов с точностью
используемой для этого информации
Если расчет ведется с точностью до 1%, то третья цифра,
получаемая в результате расчета, уже является лишней
Чем больше заблаговременность расчетов, тем меньше
оснований для большой территориальной дифференциации
развития энергетики
77
ЗАДАЧИ ДОЛГОСРОЧНЫХ ПРОГНОЗОВ В
ЭНЕРГЕТИКЕ
 Выявление
основных объективных
энергоснабжения народного хозяйства
тенденций
развития
 Определение
эффективных
направлений
и
уровней
электрификации и моторизации экономики и социальной сферы
 Выявление научной концепции и ведущих направлений НТП в
энергетике
 Выбор
наилучших пропорций получения и переработки
энергоресурсов, их распределение по районам страны и
категориям потребителей
 Оценка
основных
взаимных
требований
развития
энергетического хозяйства и смежных отраслей экономики
Разработка
главных
комплексных
программ
развития
энергетики
 Обоснование ведущих направлений развития энергетической
науки с определением ее главных задач
78
Развитие системных исследований в
энергетике в 1980-е – начале 1990-х гг.
 Углубление и развитие методологии системных исследований в
энергетике
- трехтомник 1986-1987 гг.
- трехтомник 1995 г.
 Развитие традиционных и новых, в том числе технических
направлений системных исследований в энергетике
- надежность и живучесть систем энергетики, особенно
электроэнергетических, газо- и теплоснабжающих
- теория гидравлических цепей и ее приложения к
трубопроводным и гидравлическим системам
- управление функционированием электроэнергетических и
трубопроводных систем
- региональные проблемы развития энергетики
- прогнозирование природообусловленных процессов
- моделирование и исследование энергетических процессов и
установок, в том числе, термодинамическими методами
- проблемы развития мировой энергетики
- исследование взаимосвязей энергетики и экономики
79
Развитие системных исследований в энергетике
в конце 1990-х - 2000-х гг.
 Влияние глобализации и либерализации в энергетике –
- Возросла роль исследований мировой энергетики и, одновременно,
региональных исследований энергетики
- Усилилось влияние экономических, политических, институциональных и
др. факторов, что потребовало разработки нового направления –
энергетической безопасности
- Изменилась организационная структура отраслей энергетики, что
потребовало пересмотра методологии управления их развитием и
функционированием – рыночные механизмы и государственное
регулирование, многокритериальное и компромиссное обоснование
решений
 Изучение природы и свойств систем энергетики
- Выявление и исследование неоднородности структуры систем
энергетики – фундаментального свойства, присущего сложноорганизованным системам
- Развитие физических, прежде всего термодинамических методов анализа
и определения рациональных характеристик энергетических процессов,
80
установок и систем
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ В ЭНЕРГЕТИКЕ
Формирование теоретических основ обоснования развития
и управления функционированием систем энергетики и ТЭК
в условиях глобализации и либерализации
● исследование свойств и тенденций развития
● формирование принципов управления
● разработка иерархической системы моделей и методов
Исследования по обоснованию развития и управлению
функционированием
систем
энергетики
и
ТЭК
на
региональном,
межрегиональном,
государственном
и
межгосударственном уровнях
81
Благодарю за внимание!
82